基于FPGA的扭矩转角传感器仿真信号发生器_卢俊杰.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源:国家自然科学基金项目();国家自然科学基金项目()收稿日期:修改日期:,(,;,):,:;:基于 的扭矩转角传感器仿真信号发生器卢俊杰,郑永军,罗 哉,王彦明,胡晓峰,郭 斌(中国计量大学计量测试工程学院,浙江 杭州;杭州沃镭智能科技股份有限公司,浙江 杭州)摘 要:针对 控制器试验台设计中接入扭矩转角传感器存在成本高和微处理器无法输出多路同步 信号的问题,设计了基于 的仿真信号发生器来模拟真实扭矩转角传感器输出的 路 信号。通过硬件电路设计实现模拟电压、和 三种方式输入目标扭矩和转角信号。基于 实现系统的信号采集和数据处理。利用 并行
2、架构设计了通用型 协议模块实现多路同步信号的输出,该模块支持节拍时间,帧总长度等多项参数配置。最后,采用逻辑分析仪对输出波形多次测量,验证了系统的精度满足设计要求。关键词:;扭矩转角传感器;协议;仿真信号发生器中图分类号:文献标识码:文章编号:()电动助力转向系统(,)具有节能环保、安装方便、效率高、路感好和回正性好等优点,是汽车转向系统的发展方向。主要由扭矩转角传感器、车速传感器、汽车电子控制单元(,)、助力电机和转向器等组成。检测扭矩转角传感器和车速传感器传输的信号判断 系统的工作模式,进而控制助力电机旋转方向和电流大小产生合适的转向助力。控制器总成包括助力电机和,目前在 控制器总成进行各
3、项性能测试中都需要接入扭矩转角传感器,但由于扭矩转角传感器存在成本高,交样周期长和安装复杂等因素,时常满足不了测试需求,因此需要开发扭矩转角传感器仿真信号发生器来模拟真实的扭矩转角传感器所发出的单边半字节传输(,)信号供 使用。微处理器的架构无法通过软件输出多路同步 信号,国内对 协议的研究也只有对传感器输出 协议进行解析方面的资料。目前国外已有不少内部集成 硬件模块的微处理器,如 公司的 系列微处理器集成了两个 硬件模块,但通过多块微处理器级联来扩展,存在成本高,硬件资源冗余问题。针对以上问题,本文设计了一款基于 的扭矩转角传感器仿真信号发生器,可以将工控机发送的第 期卢俊杰,郑永军等:基于
4、 的扭矩转角传感器仿真信号发生器 目标扭矩和目标角度信号转换为六路同步 信号。通信协议是美国机动车工程学会(,)推出的一种汽车传感器,与 通信的新标准(),相比于模拟输出和 输出,具有更高的数据传输速度和更好的抗干扰性,并且具有故障诊断能力,未来将在局部系统中广泛取代 和 总线。扭矩转角传感器原理图 所示是一款目前 应用较多的电磁式扭矩转角传感器的结构图,利用了交变电磁感应的原理测量转子的位置,也是本系统模拟的对象。方向盘的扭矩通过扭杆的变形转换为输入轴和输出轴之间的相对转角,由式()实现对扭矩信号的测量:()式中:为轴相对转角;为方向盘扭矩;为扭杆有效长度;为扭杆材料剪切模量;为扭杆截面极惯
5、性矩;为扭转刚度,只与扭杆形状和材料有关。图 扭矩转角传感器结构图图 传感器输出转角信号特性曲线图方向盘的转角通过对输入轴的绝对转角进行测量,方向盘的转角量程为 ,一般采用大齿轮与输入轴相连,大齿轮带动小齿轮,测量小齿轮和转子的转角以游标算法()实现量程的扩展。图 所示为传感器输出的表示转角信息的 信号特性曲线图,纵坐标为 信号中的数字量,其中 信号以 为周期,共 个周期,信号以 为周期,共 个周期,在每段 范围内任意角度值均存在唯一的 和 信号值组合与其对应。通信协议 协议通过两个下降沿之间的一系列脉冲序列来传输数据,如图 所示。用节拍()作为时间单位,每个脉冲的逻辑高电平固定时间为 个节拍
6、。如表 所示,同步脉冲是 帧的头部,低电平时间为固定的 个节拍。状态脉冲、数据脉冲和 脉冲称为(半字节),逻辑低电平时间为()个节拍,用来表示 的数据,因此 可以为 至。状态脉冲可以传递传感器故障信息,数据脉冲可以表示两个 的数字量,即 至 ,循环冗余校验()脉冲校验数据脉冲,暂停脉冲用来保证每一帧 的总长度是一样的。图 帧脉冲序列图表 帧标准格式脉冲序号内容脉冲序号内容同步脉冲数据 的低 状态脉冲数据 的中间 数据 的高 数据 的高 数据 的中间 校验数据 的低 暂停脉冲图 主、副扭矩信号与数字量关系图 本系统输出六路,其中 和 分别包含主、副扭矩信号;和 分别包含主、副转角信号;表示转角信
7、号,高、低逻辑电平与前两路相反,即逻辑低电平固定时间为 个节拍;,与前三路 完全相同,用于提高传感器精度。对于工控机输入的目标扭矩值,首先由系统设置的扭矩刚度和式()得到轴相对转角,如图 所示为轴相对转角 与 数字量的分段函数关系,其中 为传感器的有效测量范围,为机械测量范围,在有效测量范围内 数字量与轴相对转角线性关系为式(),同时为了提高传输可靠性,主、副传 感 技 术 学 报第 卷信号的 数字量之和应为 。()对于工控机输入的目标转角值,首先通过求余算法分别得到 转角 和 转角,使用 数字量 至 来线性表示转角,则 数字量与 和 线性关系分别为式()和式(),同理 转角主、副信号的数字量
8、之和应为 。()()硬件电路设计图 为硬件电路设计原理图。本系统支持模拟电压、脉冲和 三种方式来传输目标扭矩和转角信号。首先,两路 至 模拟电压或占空比 至 幅值 频率 的 脉冲分别通过 位 芯片 和基于 芯片的光耦隔离电路得到 扭矩和 至 转角信号;串口通过 接口,经过电平转换芯片 将目标扭矩和转角信号通过命令帧的方式发送给。图 硬件设计原理图表 为串口发送的命令帧格式(进制表示),其中前两个字节“”是为了提高传输的可靠性,再接收到字节“”,那么后面接收的四个字节就表示目标扭矩和转角值,同理,串口可以传输与传感器输出特性相关的设置参数值。表 命令帧格式命令帧()功能初始值 目标扭矩和转角值,
9、输入方式模拟输入 扭矩刚度 ()节拍时间 帧总长度 个节拍 故障注入 其次,屏用来显示当前扭矩和转角值以及设置参数值,同时四个按键实现与表 串口相同的设置参数功能。再次,接线端子提供 的 电源经过 转换和稳压芯片及其外围电路变换为 ,电源网络为其他模块供电。最后,通过三个数字隔离芯片 实现 与输出信号的相互隔离及 至 的电平转换。图 所示为基于 的双通道隔离电路,左侧为 引脚输出的两路 信号,右侧为 的两个扭矩转角传感器输入接口,管用于抑制瞬态电压。图 双通道隔离电路 逻辑设计 作为本系统的主控单元,其逻辑设计是仿真信号发生器性能的关键,型 的逻辑设计采用 官方推出的 开发环境,主要包括了数据
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